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抛物線的簡單幾何性質的應用

生活 更新时间:2024-12-02 23:51:59

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)1

上兩篇文章已對橢圓及雙曲線性質進行了彙總,本文對高考考點中涉及的抛物線的部分性質進行彙總。

注:以下僅讨論焦點在x軸上且開口向右的抛物線性質。

抛物線定義

平面内到定點F(p/2,0)的距離和到定直線l:x=-p/2的距離之比為常數e=1的點的軌迹是抛物線。其中定點F(p/2,0)為抛物線的焦點,定直線l:x=-p/2為抛物線的準線。

此為課本上的标準定義,不再詳述。

上述定義即可作為判定定理也可作為性質定理。

抛物線方程

1.抛物線标準方程

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)2

其中p>0,幾何意義為焦準距,下同。不再詳述。

2.抛物線參數方程

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)3

其中t為參數,顯然t=x/y,故參數t的幾何意義為抛物線上任意點(除頂點外)與原點連線的斜率的倒數

切線

1.抛物線切線定理

抛物線上任意點P,其在準線上的射影為M,抛物線焦點為F,則過P點的切線平分∠MPF。

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抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)5

此定理揭示了抛物線的一條光學性質,該性質在高中數學課本上也有提及,即從抛物線的一個焦點發出的光線,經抛物線反射後變成平行光。

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2.抛物線切線方程

過抛物線上一點P(x0,y0)的的切線方程為:

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上述兩個證明過程都用到了隐函數求導,高中範圍不涉及該知識點,有興趣的同學可以嘗試用二次函數判别式推導。

3.抛物線切點弦方程

過抛物線外一點P(x0,y0),做抛物線上的兩條切線,切點為A,B,則過A,B的切點弦方程為:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)7

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4.切點弦性質

性質1:準線上的點形成的切點弦過焦點。

證:設P在準線上,故P點坐标為(-p/2,y0),

将P點坐标代入切點弦方程,即:y0y=p(x-p/2)

顯然此方程過點F(p/2,0)。

性質2:做抛物線外一點的切點弦,如果過焦點,則此點必在準線上。

證:設P(x0,y0),則P點對應的切點弦方程為:y0y=p(x x0),

将焦點F(p/2,0)代入切點弦方程,即:0=p(p/2 x0),

則x0=-p/2,即P點在準線上。

焦半徑及焦點弦

1.焦半徑長

焦半徑長公式1:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)11

通過準線性質容易得到。

焦半徑長公式2:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)12

其中α為焦半徑與x軸正半軸夾角。

當A點位于x軸以上(含x軸,此時A點為頂點,可認為此時焦半徑與x軸正半軸夾角為180°)時,分母取負,當A點位于x軸以下時,分母取正。

推導如下:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)13

設抛物線焦點為F,過F的直線交抛物線于A(x1,y1),B(x2,y2),取AB中點C(x3,y3)。過A做x軸垂線,垂足為D。A、B、C、D在準線上的射影分别為A'、B'、C'、D'。設AB與x軸夾角為α。(以下諸性質均以上圖進行證明)

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2.焦半徑關系

由焦半徑公式2,容易得到:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)15

3.焦點弦性質

性質1:以焦點弦為直徑的圓與準線相切。

即:以AB為直徑的圓與A'B'相切

證:設以AB為直徑的圓半徑為r,顯然圓心為C。

CC'為梯形AA'B'B的中位線,故圓心C到準線距離:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)16

故以AB為直徑的圓與準線相切。

顯然,∠AC'B=90°。

性質2:以焦點弦在準線上的射影為直徑的圓與焦點弦相切。

即:以A'B'為直徑的圓與AB相切

證:∵AA'=AF,∴ ∠AA'F=∠AFA'

∵AA'∥FD',∴∠AA'F=∠A'FD'

同理:∠BFB'=∠B'FD

∴∠A'FB'=90°,∴C'F=A'B'/2=A'C'

又∵AC'=AC',∴△AA'C'≌ △AFC,∴C'F⊥AB,

∴以A'B為直徑的圓與AB相切。

顯然且已證明:∠A'FB'=90°,C'F=A'B'/2, C'F⊥AB。

4.焦點弦長

焦點弦長公式1:

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由焦半徑公式1可推得。

焦點弦長公式2:

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由焦半徑公式2可得

特别的:當α=90°時,上式結果即為通徑長:2p。且依據正弦函數性質可知,抛物線通徑是最短的焦點弦

焦點弦長公式3:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)19

其中k為通徑所在直線斜率。

特别的:當k趨于無窮大時,上式結果即為通徑長:2p。

5.焦點弦三角形

焦點弦與頂點構成的三角形面積公式:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)20

推導如下:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)21

特别的:當α=90°時,上式結果即為通徑與頂點形成的三角形面積:p²/2。且依據正弦函數性質可知,通徑三角形是面積最小的焦點弦三角形

其他

1.判别式

直線方程y=kx m與抛物線方程聯立後的,關于x的二次方程的判别式:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)22

2.一般弦長公式

抛物線一般弦長公式:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)23

顯然,當m=-kp/2,即直線過焦點時,公式退化為焦點弦公式3。

3.焦點弦中的韋達定理

過焦點的直線方程與抛物線方程聯立後,兩交點(如果存在的話):A(x1,y1),B(x2,y2)滿足如下關系:

抛物線的簡單幾何性質的應用(抛物線性質彙總)24

上述公式推導過程從略

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